陳亞鵬,劉貴珊*,張浩楠,李燕,康寧波
1(寧夏大學(xué) 食品與葡萄酒學(xué)院,寧夏 銀川,750021)2(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川,750021)
芥藍(lán)(Brassicaoleraceavar.alboglabra)又名白花芥藍(lán),為十字花科蕓薹屬一年生草本植物,是中國(guó)特產(chǎn)蔬菜之一[1],富含維生素、礦物質(zhì)、芥子油苷[2]、硫代葡萄糖苷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),其降解產(chǎn)物異硫代氰酸鹽能有效防癌[3],是甘藍(lán)類蔬菜中營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的一種[4]。芥藍(lán)葉片表面積大且含水量高,即使在采收后也會(huì)呼吸和蒸騰,導(dǎo)致其質(zhì)量不斷下降[5]。因此,亟需采用預(yù)冷技術(shù)延長(zhǎng)芥藍(lán)的貨架期。
預(yù)冷作為集成式冷鏈第一步,可最大程度地降低新鮮蔬菜的呼吸代謝,消除其田間熱量[6-7]。真空預(yù)冷是通過在真空下蒸發(fā)掉蔬菜的一部分水分,從而延長(zhǎng)貨架期的最佳方法[8],具有效率高、衛(wèi)生好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[9],適用于多孔食品,已應(yīng)用于萵苣、西蘭花、白菜、菠菜等蔬菜的貯藏保鮮[10]。然而,真空預(yù)冷過程中溫度分布不均勻等問題也是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素[11]。
恒壓真空預(yù)冷(multi-stage vacuum pressure reservation,MSVPR)是通過控制真空泵間歇啟動(dòng)運(yùn)行,以此來提高預(yù)冷效果的一種工藝[12],可以解決蔬菜降溫過程中預(yù)冷不均勻的問題,并有效節(jié)省能耗[13],但相應(yīng)地會(huì)增加產(chǎn)品質(zhì)量損失。CHENG[14]發(fā)現(xiàn)MSVPR與水冷相結(jié)合可以有效降低竹筍的溫度,節(jié)省運(yùn)行成本與能耗。CHENG等[15]發(fā)現(xiàn)MSVPR可以有效降低卷心菜表面和內(nèi)部溫差。同時(shí)用冷凝器冷卻外部空氣,可以解決壓強(qiáng)恢復(fù)過程中卷心菜溫度升高的問題。PICHAVA等[13]采用不同MSVPR操作方式對(duì)有機(jī)佛掌瓜苗進(jìn)行預(yù)冷。并通過實(shí)驗(yàn)得出有機(jī)佛掌瓜苗從19~23 ℃預(yù)冷到(8±1) ℃的最佳壓強(qiáng)為1.1 kPa,保壓時(shí)長(zhǎng)為5 min。廖彩虎等[16]研究不同預(yù)冷技術(shù)對(duì)鮮切蓮藕貯藏品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,真空預(yù)冷降溫速率為冷庫(kù)預(yù)冷的10倍。隨著真空預(yù)冷恒壓時(shí)間的延遲,其水分損失呈增加趨勢(shì),預(yù)冷終溫5 ℃并恒壓4 min的效果最佳。但目前大部分研究?jī)H針對(duì)真空預(yù)冷前后效果對(duì)比,且局限于根莖類蔬菜,而MSVPR對(duì)葉菜類蔬菜貯藏期間品質(zhì)的影響鮮見報(bào)道。
本文采用MSVPR技術(shù)對(duì)芥藍(lán)進(jìn)行預(yù)冷處理,研究不同預(yù)冷終溫對(duì)芥藍(lán)貯藏期間失重率、呼吸強(qiáng)度、葉綠素、色澤、抗壞血酸及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的影響,以期為葉菜類蔬菜貯藏保鮮提供理論依據(jù)。
芥藍(lán)采自寧夏鑫茂祥冷藏運(yùn)輸有限公司,挑選莖薹飽滿、無病蟲植株。
草酸、三氯乙酸,天津市大茂化學(xué)試劑廠;硫代巴比妥酸,上海廣諾化學(xué)科技有限公司;抗壞血酸、2,6-二氯酚靛酚鈉鹽,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,均為分析純?cè)噭?/p>
KMS500真空預(yù)冷機(jī),東莞科美斯科技實(shí)業(yè)有限公司;TYS-B葉綠素測(cè)定儀、3051H果蔬呼吸測(cè)定儀,浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司;CM-2300 d分光測(cè)色計(jì),日本柯尼卡美能達(dá)公司;JY10002電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;UV-1800紫外分光光度計(jì),日本島津公司;5804R高速冷凍離心機(jī),湘儀離心機(jī)儀器有限公司。
選取大小一致、外形新鮮飽滿、無機(jī)械損傷、無病蟲害的新鮮芥藍(lán)隨機(jī)分為3組,進(jìn)行恒壓真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)。設(shè)置預(yù)冷終溫為0、4、8 ℃,分別記作V0組、V4組、V8組;以傳統(tǒng)真空預(yù)冷(無保壓)作為對(duì)照組(CK),對(duì)芥藍(lán)進(jìn)行預(yù)冷處理。預(yù)冷結(jié)束后,立即裝入PE保鮮袋,置于(4±1)℃的冰箱內(nèi)貯藏20 d,每隔2 d測(cè)定相關(guān)理化指標(biāo)。
真空預(yù)冷系統(tǒng)如圖1所示。真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量數(shù)據(jù)為不同預(yù)冷終溫下的溫度變化、真空室壓強(qiáng)、預(yù)冷時(shí)間及預(yù)冷前后的質(zhì)量損失。
1-冷卻液入口;2-冷卻液出口;3-冷凝器;4-壓力計(jì);5-壓力傳感器;6-排氣閥;7-壓力指示器和控制器;8-溫度指示器和控制器;9-控制面板;10-電腦;11-排氣閥;12-真空閥;13-真空泵;14-真空閥;15-真空泵;16-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);17-真空室;18-產(chǎn)品;19-熱電偶
測(cè)量并記錄芥藍(lán)的初始質(zhì)量和溫度,將芥藍(lán)放進(jìn)真空艙內(nèi),并將4根熱電偶分別置于不同葉片的上表皮,距離主脈右側(cè)附近的點(diǎn);4根分別插入到芥藍(lán)主莖的頭部,中部、尾部及分支莖的中心點(diǎn)(深度0.2 cm),同時(shí),將8根傳感線和1個(gè)信號(hào)傳輸記錄儀連接到計(jì)算機(jī)上,葉片及根莖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別取平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。打開真空預(yù)冷機(jī),根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到1.20 kPa后關(guān)閉真空泵,開啟第1次保壓,保壓350 s后開啟真空泵,在壓強(qiáng)達(dá)到1.00 kPa后關(guān)閉真空泵開始第2次保壓,保壓400 s后再次開啟真空泵(當(dāng)目標(biāo)預(yù)冷終溫較高時(shí)2次保壓結(jié)束后可關(guān)閉預(yù)冷設(shè)備),當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到0.80 kPa時(shí)關(guān)閉真空泵開啟第3次保壓,保壓300 s后真空冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)束。打開真空室艙門,取出芥藍(lán)并稱重。
1.5.1 失重率測(cè)定
采用稱重法,貯藏前的質(zhì)量記作m1,貯藏后的質(zhì)量記作m2,實(shí)驗(yàn)取均值。失重率按公式(1)計(jì)算:
(1)
1.5.2 葉綠素含量測(cè)定
采用葉綠素測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。
1.5.3 色差測(cè)定
采用分光測(cè)色計(jì)測(cè)定新鮮芥藍(lán)葉片L*、a*和b*值。
1.5.4 呼吸強(qiáng)度測(cè)定
采用果蔬呼吸測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定,按公式(2)計(jì)算:
(2)
式中:ρ,測(cè)定后密閉容器CO2濃度,mg/L;ρ0,測(cè)定前密閉容器CO2濃度,mg/L;V,容器總體積,2 L;V0,測(cè)定溫度下CO2摩爾體積,22.4 L/mol;M,CO2的摩爾質(zhì)量,44 g/mol;m,測(cè)定用果蔬的質(zhì)量,kg;t,測(cè)定所用時(shí)間,h。
1.5.5 抗壞血酸含量測(cè)定
采用2,6-二氯靛酚滴定法[17]進(jìn)行測(cè)定。
1.5.6 MDA測(cè)定
參考XI等[18]方法測(cè)定。
每組樣品包含10株芥藍(lán),平行測(cè)定3次,數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,使用SPSS 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用LSD法計(jì)算不同處理之間的差異顯著性,置信區(qū)間95%,圖中標(biāo)注不同字母表示數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05),Origin 2018軟件作圖。
如圖2-a所示,芥藍(lán)初始平均溫度為22.95 ℃。啟動(dòng)真空泵后,在前188 s壓強(qiáng)處于平衡階段,此時(shí)真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為20.20 kPa;葉片溫度為17.13 ℃,下降5.82 ℃;根莖溫度為20.31 ℃,下降2.64 ℃,葉片降溫速率高于根莖,這是因?yàn)槿~片的面積大且有大量的氣孔用于水分蒸發(fā)[19]。之后真空室壓強(qiáng)處于迅速下降階段,在達(dá)到芥藍(lán)飽和壓力(閃點(diǎn))前的488 s內(nèi),壓強(qiáng)從20.20 kPa下降到2.20 kPa,此時(shí)葉片溫度為12.67 ℃,根莖溫度為14.24 ℃,這一階段溫度下降速率緩慢。到達(dá)閃點(diǎn)后芥藍(lán)葉片溫度開始迅速下降,此時(shí)芥藍(lán)葉片內(nèi)的自由水開始吸熱蒸發(fā)[20]。預(yù)冷結(jié)束時(shí)葉片的平均溫度為2.26 ℃,根莖溫度為9.50 ℃,溫度相差7.24 ℃,預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)711 s。
針對(duì)葉片與根莖溫差過大等問題,現(xiàn)采用MSVPR技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2-b、2-c、2-d所示,在真空預(yù)冷過程中,前600 s操作與圖2-a相同。600 s后開始第1次保壓,關(guān)閉真空泵,真空室內(nèi)壓強(qiáng)不再降低并開始回升。由圖2-c可知,當(dāng)保壓238 s后,艙內(nèi)壓強(qiáng)上升0.2 kPa;此時(shí)芥藍(lán)葉片溫度從7.17 ℃上升到8.21 ℃,上升1.04 ℃,根莖溫度從9.78 ℃下降到8.81 ℃,下降0.97 ℃,根莖溫度始終處于下降過程,這可能是因?yàn)樵诒哼^程中,壓強(qiáng)處于平穩(wěn)狀態(tài),芥藍(lán)沸點(diǎn)不再下降,而根莖因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,氣孔分布數(shù)量少,水分蒸發(fā)速率慢[21],導(dǎo)致根莖部位熱量較葉片高,并且,芥藍(lán)此時(shí)以根莖為中心點(diǎn)通過熱傳導(dǎo)的方式向葉片內(nèi)部傳輸熱量,葉片溫度開始緩慢回升。當(dāng)保壓時(shí)長(zhǎng)達(dá)到350 s后,再次開啟真空泵,當(dāng)艙內(nèi)的壓強(qiáng)降至1.0 kPa時(shí),開始第2次保壓,芥藍(lán)葉片溫度繼續(xù)上升,根莖溫度繼續(xù)下降。在保壓過程中,葉片與根莖溫差逐漸縮小。最終,V0、V4、V8組平均溫差分別為0.75、0.58、0.91 ℃,預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)分別為1 629、1 978、1 034 s。結(jié)果表明,MSVPR可有效解決芥藍(lán)在預(yù)冷過程中溫差過大,預(yù)冷不均勻的問題。
a-傳統(tǒng)真空預(yù)冷;b-恒壓真空預(yù)冷終溫0 ℃;c-恒壓真空預(yù)冷終溫4 ℃;d-恒壓真空預(yù)冷終溫8 ℃
MSVPR技術(shù)可以解決葉菜類蔬菜在預(yù)冷過程中溫度分布不均勻的問題,但是相應(yīng)的高預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)會(huì)增加產(chǎn)品的質(zhì)量損失。如表1所示,V0、V4、V8組在預(yù)冷結(jié)束時(shí)失重率分別為3.74%、4.18%、2.57%,而CK組失重率僅為1.30%,證明預(yù)冷時(shí)間越長(zhǎng)蔬菜的質(zhì)量損失越大,這是因?yàn)樵诒哼^程中蔬菜一直處于蒸發(fā)的過程,而液態(tài)水需要通過葉脈進(jìn)行傳輸,在整個(gè)空間域中呈現(xiàn)出一種傳熱傳質(zhì)相互耦合的現(xiàn)象[11]。因此對(duì)于葉菜類蔬菜而言,預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)盡量控制在30 min之內(nèi)。
表1 四組真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量指標(biāo)
失重率是評(píng)估新鮮蔬菜品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一[22]。因?yàn)榻嫠{(lán)屬于葉菜類蔬菜,通常具有較大的表面積與體積,這使其很容易在收獲后迅速失水[23]。如圖3所示,失重率隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在整個(gè)貯藏期內(nèi),處理組的失重率始終低于對(duì)照組(P<0.05),貯藏20 d后,CK組失重率為12.24%,而V0、V4及V8組失重率分別為7.20%、2.73%、4.05%。結(jié)果表明,MSVPR可以有效降低蔬菜的失重率。而不同預(yù)冷溫度之間也存在顯著差異(P<0.05),V0組可能是因?yàn)轭A(yù)冷終溫過低而導(dǎo)致葉片發(fā)生凍害,在貯藏期間細(xì)胞分解失水[24],從而導(dǎo)致失重率高于其他2組。
圖3 貯藏期內(nèi)芥藍(lán)失重率變化
葉綠素含量被認(rèn)為是影響葉片衰老的重要指標(biāo),葉綠素降解會(huì)導(dǎo)致葉片腐敗黃化[25]。如圖4所示,貯藏前10 d,各組間無顯著差異(P>0.05),第12 天時(shí),葉綠素降解速率加快,葉片開始黃化腐敗。貯藏20 d后,CK組與V4、V8組之間存在顯著差異(P<0.05)。CK組中葉綠素含量?jī)H為47.94 SPAD,損失率高達(dá)27.65%,而V4組則保持了較高的葉綠素水平,達(dá)54.68 SPAD。結(jié)果表明,MSVPR可有效減少芥藍(lán)在貯藏過程中葉綠素的降解,這是因?yàn)檫m宜的預(yù)冷壓強(qiáng)可降低葉綠體的潰解[23]。此外,預(yù)冷終溫4 ℃可以更好的保持葉綠素含量,這可能是因?yàn)轭A(yù)冷終溫與貯藏溫度相同,從而使芥藍(lán)在貯藏過程中消耗更少的能量,減小因環(huán)境壓力所造成的脅迫,抑制相關(guān)酶活性[26]。
圖4 貯藏期內(nèi)葉綠素含量變化
顏色是決定食品質(zhì)量的重要感官屬性之一[27]。亮度L*值表示各種色彩由明到暗的變化程度。如圖5-a所示,L*值隨貯藏時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì),但增長(zhǎng)緩慢。第20 天后,CK組樣品中L*值的增長(zhǎng)較處理組明顯(P<0.05),由此可知,MSVPR可以減緩芥藍(lán)L*值的增長(zhǎng)速度。a*值為紅綠值,值越大表示綠色損失越多。如圖5-b所示,a*值隨著貯藏時(shí)間增加而上升,這可能是葉綠素脫鎂形成葉綠酸從而導(dǎo)致黃化[28],綠色度逐漸降低。貯藏第20 天時(shí),V4組相對(duì)于其他組a*值上升速度最慢(P<0.05)。表明預(yù)冷終溫4 ℃可以有效保持芥藍(lán)的a*值。
a-L*值;b-a*值;c-b*值
b*值代表藍(lán)黃程度,值越大表示顏色越黃[29]。如圖5-c所示,在貯藏期間,b*值始終呈上升趨勢(shì)。第8 天后,CK組與V4組差異顯著(P<0.05),這可能是因?yàn)镃K組在第8 天時(shí)出現(xiàn)了呼吸高峰,消耗體內(nèi)大量的能量及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致葉片衰老黃化。第20 天后,CK組b*值為18.88,處理組分別為17.17、15.76、16.48,CK組b*值明顯高于處理組(P<0.05)。結(jié)果表明,MSVPR可有效控制芥藍(lán)在貯藏過程中b*值的變化情況,且預(yù)冷終溫4 ℃所保持的色彩最佳。
外觀形態(tài)變化可直接反映芥藍(lán)品質(zhì)劣變及衰老程度[30]。如圖6所示,經(jīng)MSVPR處理后的芥藍(lán)其黃化程度均低于對(duì)照組。CK組在第12天時(shí)開始黃化,第16天時(shí)黃化程度加重,已失去了食用價(jià)值,黃化程度與圖5-c中所描述的色澤b*值相符。在第20天時(shí)V4組芥藍(lán)貯藏外觀形態(tài)最佳,黃化程度低,V0組因失重率較高,葉片相對(duì)萎蔫皺縮,并在分支莖及花蕾處開始黃化。V8組也在分支莖的葉柄處開始黃化,隨后葉片開始脫落??梢?MSVPR較傳統(tǒng)真空預(yù)冷可延緩芥藍(lán)外觀形態(tài)的劣變,將貨架期從16 d延長(zhǎng)至20 d,且預(yù)冷終溫4 ℃的外觀形態(tài)最佳。
圖6 貯藏期內(nèi)芥藍(lán)外觀形態(tài)變化
控制蔬菜的呼吸強(qiáng)度對(duì)于延緩果蔬衰老至關(guān)重要[10]。如圖7所示,貯藏期間CK組芥藍(lán)的呼吸強(qiáng)度持續(xù)加強(qiáng),并在第8天時(shí)出現(xiàn)呼吸高峰,此時(shí)呼吸強(qiáng)度為291.57 mg/(kg·h),隨后一直處于較高的水平。而處理組的呼吸強(qiáng)度始終低于對(duì)照組(P<0.05),V0、V4、V8組同時(shí)在第12天時(shí)出現(xiàn)呼吸高峰,與CK組相比明顯推遲了呼吸高峰的到來。結(jié)果表明,MSVPR可以有效控制蔬菜的呼吸強(qiáng)度,這可能是因?yàn)槿~片部分主導(dǎo)了樣品的呼吸[21],而MSVPR在降溫過程中通過熱傳導(dǎo)將根莖能量傳輸?shù)饺~片,從而使葉片可以更好地抵御來自外界環(huán)境的脅迫。此外,呼吸強(qiáng)度也受含水量的影響[31],這與圖3中CK組失重率變化相符合。
圖7 貯藏期內(nèi)呼吸強(qiáng)度變化
新鮮芥藍(lán)富含豐富的抗壞血酸,并被視為重要品質(zhì)指標(biāo)[32]。如圖8所示,在貯藏期間,對(duì)照組和處理組的抗壞血酸含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。且處理組的抗壞血酸含量明顯高于對(duì)照組(P<0.05)。在第20 d時(shí),CK組中抗壞血酸含量?jī)H為14.50 mg/100 g,降低了76.83%,而在V0,V4和V8組抗壞血酸含量分別降低了67.56%,41.41%和63.07%。結(jié)果表明,MSVPR可以有效緩解抗壞血酸含量的下降速率,這可能是因?yàn)镸SVPR處理后的芥藍(lán)熱量分布更均勻,減少了貯藏過程中環(huán)境因子造成的危害。同時(shí),處理組之間也存在顯著差異(P<0.05),V4組可以更好地保持抗壞血酸含量,這是因?yàn)榈蜏乜梢砸种泼傅幕钚訹33],而V0組因預(yù)冷終溫過低導(dǎo)致芥藍(lán)相關(guān)組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損傷,其內(nèi)部代謝紊亂,下降速率高于其他2組。
圖8 貯藏期內(nèi)抗壞血酸含量變化
MDA是由衰老過程中活性氧(reactive oxide species,ROS)積累增加所致,是植物氧化脅迫程度的重要指標(biāo)[34]。如圖9所示,在整個(gè)貯藏期間,MDA含量始終呈上升狀態(tài),且處理組MDA含量始終低于對(duì)照組(P<0.05)。在第20天時(shí)。對(duì)照組中MDA含量為3.64 μmol/g(FW),分別為V0、V4、V8組的1.14、1.46、1.22倍。說明MSVPR可以抑制芥藍(lán)脂質(zhì)過氧化的積累,降低形成冷害的風(fēng)險(xiǎn),這是因?yàn)樵诮禍剡^程中MSVPR可以更好地控制芥藍(lán)的溫度,避免因預(yù)冷溫度過低導(dǎo)致膜損害。此外,MDA含量與抗壞血酸含量之間呈負(fù)相關(guān),這是因?yàn)橥ㄟ^抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)可有效減少ROS的含量[35]。
圖9 貯藏期內(nèi)MDA含量變化
本文采用MSVPR技術(shù)對(duì)芥藍(lán)進(jìn)行預(yù)冷處理,研究不同預(yù)冷終溫對(duì)芥藍(lán)貯藏品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,MSVPR可以有效降低葉片和根莖的溫差(平均溫差控制在1 ℃以內(nèi)),使芥藍(lán)整體溫度趨于平衡,但MSVPR預(yù)冷時(shí)間較長(zhǎng),特別是在保壓過程中會(huì)不斷的蒸發(fā)蔬菜水分,最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量損失偏高,影響經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此采用MSVPR進(jìn)行操作時(shí)預(yù)冷時(shí)間盡量控制在30 min內(nèi),以此來減少失重率。在貯藏至20 d時(shí),預(yù)冷終溫4 ℃貯藏的品質(zhì)最佳,此時(shí)抗壞血酸損失率為41.41%,失重率為2.73%,葉綠素下降17.28%,并有效降低呼吸強(qiáng)度,抑制MDA含量的增長(zhǎng),與傳統(tǒng)真空預(yù)冷貯藏16 d相比,MSVPR處理后的芥藍(lán)可延長(zhǎng)貨架期至20 d。